DannbauerHelmut,HofwimmerKlaus,ZhangWenxuanMagnaPowertrainEngineeringCenterSteyrGmbH&CoKG,Austria麦格纳动力总成–斯太尔工程中心关键字–有限元，疲劳，焊缝，标准，S/N曲线摘要–基于有限元分析的疲劳评估在汽车工业中被广泛的应用。但是如何处理在车身和底盘等结构中的焊接问题任然是一个研究课题。这篇论文将给出一个总揽并且对焊缝疲劳评估的不同方法进行对比。.基于标准的焊缝疲劳评估(EUROCODE3,BS7608,DS1612):基于名义应力的细分类别将被用来与一条S/N曲线相关联；平均应力的影响将以不同的方法进行处理(MKJ-图,减少负载循环中的压缩受力部分)。.基于德国FKM标准的焊缝疲劳评估:针对S/N曲线的细分类别；所有3个应力分量将被分别分析；不同的Haigh-图将应用在不同的残余应力等级上。.基于来自于有限元分析的结构应力的焊缝疲劳评估:简单板壳单元提供的结构应力将被用于与凹槽参数数据库相结合，以获得凹槽应力。.基于来自于有限元分析的凹槽应力的焊缝疲劳评估:带有1mm或5mm凹槽半径的实体模型将被用来进行凹槽应力分析；凹槽应力将应用主S/N曲线进行评估。.基于来自于有限元分析的节点受力的焊缝疲劳评估:从沿着焊缝走向的节点受力可以获得线载荷，它们将结合分析理论方程对结构应力进行计算。凹槽应力将通过凹槽系数的分析评估被确定下来，一个主S/N曲线将用于损伤值分析。各种不同方法的规范将在理论上进行介绍并且提供一个应用案例用以说明它们在实践中的不同之处。1.简介车辆必须能够承受动态应力，它的部件包含不同的焊缝、焊点和凹槽。在加工过程中非常不同的工艺处理将被应用。这些对于使用中的疲劳寿命会产生正面的或是负面的影响。焊缝特性对于车辆板材部件的刚度和硬度也会产生不同的影响。焊接工艺、焊接类型和焊缝的位置以及焊点的数量和分布有着极大的在技术上的和经济上的影响。实践告诉我们在底盘的疲劳试验中超过90%的裂纹来自于连接部位(1)(2)，原因是，相对比基础材料焊缝和焊点具有相对较低的动态强度值。大量的标准规范以及出版物提供了不同的方法以评估在一个构件寿命周期内的动态应力。一些方法是基于名义应力的。另外一些方法应用结构或是凹槽应力以及最新的方法应用节点的受力。这篇文章的目的是想展示一下焊缝结构疲劳分析中不同的评估方法，以及通过一个应用实例来讨论一下这些方法的优点和可行性。2.基于规范的焊缝疲劳评估除了在汽车工业中的应用，按照规范焊缝结构的疲劳评估被广泛应用到许多行业中。尤其是在铁路或是其它安全相关的行业，基于大量的实验结果，规范提供了一个传统的和安全的方法。在通常情况下对于大多数常用的焊接结构，一个所谓的细分类别（detailcategories），通过疲劳实验可以对垂直和平行于焊缝的法向应力以及对剪切应力的S/N曲线进行建立。为了评估一个焊接结构，每个焊缝连接必须在规范中为每个分应力指定一个细分类别。规范中的各个S/N曲线将与名义应力，或由分析近似、有限元分析或试验中得来的结构应力相协同使用。2.1Eurocode3(3),BritishStandard7608(4),IIW-Guideline(7)这三个焊缝疲劳评估规范是大家非常熟悉的。Eurocode3和IIW-Guideline的主要规定是依赖于一套S/N曲线束，它们是同等间距的，并依赖于一套被分类的结构详图。与Eurocode3不同，规范BS7608的S/N曲线并不是等间距的而且斜率也在m=3到3.5和4到8之间变动（见图1）。图1:法向应力的S/N曲线，EUROCODE3(左)和BritishStandard7608(右)2.2DV952和DVS1612规范在德国铁路交通工具规范DV952(5)和DVS1612(6)中给出了可允许的最大主应力或是剪切应力相对于应力比率R的图表。在每个图表中对于几种凹槽类别给出了不同的曲线。这样就可以从一个凹槽类别和平均应力（分别的R值）找到相应的疲劳强度。这些图表可以应用于如下材料的焊接：DV952:St37,St52-3,AlMg3,AlMgMn,AlMg4.5Mn,AlMgSi1,AlZnMg1DVS1612:S235,S355在焊缝中的σmax或τmax的最大应力应当被确定，这个最大值必须小于图表中可允许的数值。这意味着，应用这些规范，仅能够评估疲劳安全系数，而不能够研究疲劳寿命。2.3FKM标准德国FKM标准用于评估钢和铝材料的焊接和非焊接构件的疲劳问题。这个标准对于工程师来说是一个非常强大的工具，它同时考虑了大多数对构件强度（静态和动态）产生影响的参数。关于焊缝评估，这个标准的应用类似于规范EUROCODE3和IIW-Guideline的细分类别。每个应力分项(σ丄,σ||,τ)必须通过利用度（utilizationdegrees）a的构成来单独评估：应力角标的说明:a应力振幅丄方向垂直于焊缝adm…在S/N曲线中允许的应力值||方向平行于焊缝对于复合应力状态，一个等价利用度(equivalentutilizationdegree)aV必须被使用:在表1中提供了各标准最重要的特征：图1:不同标准的最重要的特征σ丄垂直于焊缝的法向应力ΔσR基础S/N曲线的应力范围τ丄垂直于焊缝的剪切应力ΔσR,t考虑壁厚的应力范围τ||……平行于焊缝的剪切应力σ1……最大主应力teff……壁厚效应n=0.1–0.3……厚度校正的指数tref……参考板材壁厚3.应用有限元分析的结构应力进行焊缝疲劳评估应用名义应力对一个复杂的构件进行焊缝评估是十分困难的并且在很多情况下仅能做粗略的评估。有限元方法(FEM)提供了一个对结构应力的快速和准确的评估可能，它运用简单的板壳模型并且不考虑焊缝的几何结构。如下的步骤需要被留意：.部件的FEM模型来重现全局刚度；.从焊缝中确定结构应力的一个固定位置（或是用一个建模指导方针来控制单元尺寸，或是用软件工具来降低网格尺寸的影响）；.基于结构应力的凹槽应力近似值；.通过一条主S/N曲线的凹槽应力评估；主S/N曲线的确定和凹槽应力的近似将在如下的篇章中进行表述。3.1半径1mm的平均值/离散度概念(R1MS)Radaj,Koettgen,Olivier和Seeger开发了一个方法，它可以进行焊缝动态强度极限的平均值和离散宽度的预测(9)。在对不同的焊接类型、负载状况和应力关系的41次试验系列中（大约400次单独试验），构件的S/N曲线被确定下来。所有的试棒都是经过退火的。然后对每一个试验系列在横截面裂纹损伤处的相应凹槽应力用数学方法从新进行了计算。在这样做的时候，焊缝的根（root）和脚（toe）的几何结构被模拟成一个凹槽半径为r=1mm。所模拟的焊缝上升角（weldclimbangles），它在焊脚对凹槽应力有很大的影响，近似的与每次单独的试验系列相一致。Fig.2:存活率[%]相对于疲劳强度1mm。图2显示的由试验确定的构件强度计算得来的凹槽应力疲劳极限，并应用上述所描述的模型r=1mm。虽然焊缝类型是不同的，但是却得到了一个小离散的凹槽应力疲劳极限的唯一值。这个结论对恒量应力比率R=-1和R=0是同时有效的。在图1中所给出的数值已经被核实并且对于其它焊接类型通过DVS(10)的S/N曲线目录同样被证实。这样就可以规定，对于任何由法向应力加载的焊接结构，焊根和焊脚的疲劳强度可以通过上述的模型被预测。这意味着，我们已经获得了一条主S/N曲线，它可以用在任何的焊接类型和焊接结构中。3.2凹槽应力的确定通过局部焊缝坐标，焊缝的应力状态可以由位于焊缝单元的应力状况的有限元结果来确定。根据Radaj的1mm倒角理论，凹槽应力可以通过子模型技术被计算出来。图3:为计算凹槽应力的Radaj子模型为了避免为构件的每个焊缝建立子模型，仅需要一次性的为绝大多数常用的焊接类型和焊缝结构进行建立。对于非常重要的载荷类型（拉伸，弯曲以及在网格平面的受力流），凹槽系数被存储在一个数据库中。基于来自有限元分析的结构应力，这些凹槽系数被用来近似的得到凹槽应力。根据Koettgen,Olivier和Seeger(R1MS概念)，凹槽应力（基于1mm凹槽半径）可以通过主S/N曲线来被评估。这个方法已经包含在商业疲劳软件FEMFAT®(11)中了。在FEMFAT®中对电弧焊接的疲劳评估包含如下的部分（总揽请见图4）：●焊缝有限元模型建立指导方针；●凹槽系数的数据库、Haigh图、S/N曲线和板材厚度的影响；●自动识别、分配和评估整个构件的所有局部焊缝区域；●自动应力修正以降低有限元网格密度的影响。图4:FEMFAT®焊缝仿真方法3.3最小板壳单元尺寸的影响焊接构件的有限元模型，如乘用车卡车的车架、白车身结构、火车底盘等，大多数都是由薄板壳单元进行建立的。对于焊接的评估在通常情况下，那些临近于焊缝的单元将会被使用。在这种情况下所使用的应力非常依赖于单元的大小。图5展示的是对于四种不同的单元尺寸(10x10mm,5x5mm,2.5x2.5mm和1.25x1.25mm)，垂直于搭接接头焊缝的法向应力分布。一方面在接头处的应力尖峰值依赖于单元尺寸，在另一方面在与接头有一定的距离处应力大小对于所有不同的网格密度几乎是近似的。图5:对于不同单元尺寸的搭接接头焊接的应力分布疲劳分析软件FEMFAT提供了一个对焊缝进行自动应力修正的功能。给用户提供了可能来定义距离焊缝的特定间距。在默认情况下，这个间距使用最小板材厚度，它是焊脚所处的位置，介于焊缝和高热影响区域。在实际中，疲劳裂纹总是开始于这个位置或是在焊根处，进行疲劳分析也同样是在这个位置。FEMFAT由周边的单元把所要评估的应力给内插出来（见图6）。在图6中标记有X的单元应力被用来进行当前焊缝单元的评估。加权平均值的应力分项用下面的公式进行计算：σj…当前焊缝单元评估的应力分项(横向的、纵向的和剪切分量)。σi,j…在评估点单元i的j应力分项(参照局部焊缝坐标系的横向、纵向和剪切分量)。di…单元i的单元中心到评估点的距离。n…用于评估当前焊缝单元的在评估点的单元数量。图6:FEMFATWELD的自动应力修正这个步骤可以工作于一次和二次的板壳单元。这样FEMFAT提供了可能来使用一个距焊缝恒定的评估距离（焊脚位置），而不依赖于单元尺寸的影响。另外一个减少单元尺寸影响的可能是应用一个依赖于节点受力的方法，将在后面的篇章中进行阐述。4.应用有限元分析的凹槽应力进行焊缝疲劳评估另外一种得到更准确应力结果的可能是通过精细网格划分来建立焊缝几何结构(焊缝上升角的平均值，焊根合并度等)。它使用1mm圆角半径的焊根和焊脚凹槽。对于薄板材（壁厚小于5mm）或非常尖锐的凹槽，一个0.05mm的圆角半径被认为能够减少主S/N曲线的离散带（见(12)和(13)）。图7:精细的焊缝实体有限元网格图8:对于凹槽半径0.005mm(12)的主S/N曲线如果使用图8中的S/N曲线，就不再需要对凹槽支撑效应进行考虑了。因为它已经包含在S/N曲线中了。5.应用有限元分析的节点受力进行焊缝疲劳评估对于所有上面所描述的方法，有限元应力或名义应力被用来进行评估。通常情况下有限元分析的应力结果对网格的尺寸和质量是十分敏感的。另外如果应用板壳单元非常详细的焊缝形状也很难被考虑。克服这些困难的一个方法是根据Zhang(14)，基于受力的焊缝评估方法。图9:基于受力的焊缝评估参照Zhang(14)这个方法需要与一个简单的板壳单元模型联合使用，它包含4个步骤：1.基于临近单元的节点受力，确定沿着焊缝的线受力。对有限元网格大小和质量的敏感度被大大的降低了。2.根据平面理论，把线受力转化为结构应力。在分析法方程的帮助下并考虑详细的焊缝结构（焊缝厚度、焊接上升角），把垂直于焊缝方向的线受力和扭矩转化为结构应力。3.运用分析方法在焊缝的危险点处，基于结构应力对凹槽应力进行评估。4.应用一个主S/N曲线对凹槽应力进行评估。6.应用实例：卡车刚性轴图10展示了一个刚性轴的实验装置。这个轴的一端被固定，在另一端承受一个（R=0）的44kN循环剪切弯曲受力。图10:一个卡车刚性轴的弯曲受力实验装置损坏发生在减震器支架的一个焊缝处。这个支架本身并不承受应力，仅仅是轴管在承受弯曲。最大法向应力也因此任然是垂直于焊缝，支架板材仅受到微小的应力负载。在实验中的疲劳寿命循环是112,200次（见图11）。图11:卡车刚性轴的循环实验6.1使用标准规范评估刚性轴使用名义应力和S/N曲线细分类别进行按照规范EUROCODE3,BS7608和IIW-Guideline的疲劳评估。剪切应力非常的低，所以忽略不计。这样垂直于焊缝的法向应力就被用来当做等价应力了。在危险区域的名义应力σn(大约距夹具60mm的距离):得到:σn=423N/mm2这个名义应力值代表了负载循环的上应力(upperstress)。下应力(lowerstress)为零(R=0)，因此应力振幅和平均应力(σa,n和σm,n)为:σa,n=σm,n=σn/2=211.5N/mm2现在需要从标准中选择恰当的细分类别，并且板材厚度和平均应力的影响需要被检查。使用斜率m1和在拐点Nf处的疲劳强度σR，可以得到对应于名义应力振幅σa,n的寿命循环N：表2:按照不同标准的疲劳寿命表2展示了对于50%存活率和1.0安全系数，根据不同的标准进行的疲劳寿命的评估。EUROCODE3和IIW-Guideline的结果是十分接近的，BS7608显示了比较低的寿命结果，而FKM-Guideline最好的接近于实验结果。总的来说预测的疲劳寿命比实验结果低（3-5倍）。这个方法的优点是，它非常简单和快速而不需要有限元计算的帮助。因此对于简单的例子和一个传统的步骤，这个方法是十分有用的。6.2使用有限元分析的结构和凹槽应力来评估刚性轴一方面一个简单的板壳模型被用来进行结构应力的分析，它不包含关于焊缝形状的详细信息。另一方面对一个详细的焊缝实体模型(大约.1,000,000节点)，包含一个在凹槽处圆角半径1mm，进行了详细的研究。应用商业疲劳软件FEMFAT(11)对这两个模型都进行了疲劳分析。图12:在粗略的板壳模型上的疲劳结果图13:在精细的实体模型上的疲劳结果在图中所示的横截面，一方面是做为实体模型凹槽应力分析的基础，另一方面是结合板壳模型做为在FEMFAT焊缝数据库中存储的凹槽系数的基础。在焊脚处的疲劳寿命，简单板壳模型所计算的结果远远的小于实体模型。这说明，采用板壳模型，损坏的位置（焊脚）被预测的更好。6.3使用有限元分析的节点受力来评估刚性轴使用有限元分析的节点受力，我们有能力对详细的焊缝结构进行考虑。焊缝的几何结构可以通过一些参数来进行确定（焊缝厚度、焊缝上升角和焊缝熔深率）。这些参数能够在FEMFAT疲劳软件中人机交互的进行改变。不同焊缝形状的影响研究能够快速和简便的实现，而不需要改变有限元模型或是应力和受力的分析。图14:在粗略的板壳模型上的基于受力的疲劳结果这种方法的实验相关性是最好的。但是危险区域（焊根）并没有正确的确定出来。这种方法的另外一个不足是它仅能够对四种焊缝类型的垂直于焊缝的法向应力进行评估，并且焊缝的尾端不能够被评估。7总结对于焊缝构件不同评估方法的主要原理在这里进行了简要的描述。这些方法的特点通过一个简单示例，一个受弯曲力的刚性轴，进行了研究。结果在下述的表3中进行了总结。基于表3的综述，一个FKM标准加有限元计算的结构应力的组合可以很好的满足疲劳分析结果的要求，并且达到简便灵活的效果。参考(1)Singh,S;Schmid,G;Gao,S.“LeichtbaudurchoptimierteFügetechnik”Proceedingspage239-255lectureandpaperontheoccasionoftheDVMMeeting“Bauteil91”1991(2)Singh,S.;Schmid,G.“DünnblechkonstruktionenundihreEigenschaften–PrüfverfahrenundihreAussagekraft”,Proceedingspage17-26,lectureandpaperatspecialmeetingoftheSLV-Munich“FügenvonAluminiumimDünnblechbereich”1993(3)EUROCODE3:Designofsteelstructures.Part1.1:Generalrulesandrulesforbuildings.ENV1993-1-1(4)BritishStandard7608,“Fatiguedesignandassessmentofsteelstructures”,1993(5)DS952“VorschriftfürdasSchweißenmetallischerWerkstoffeinPrivatwerken.AnhangII:RichtliniefürdieBerechnungderSchweißverbindungen.“,1977(6)GuidelineDVS1612“GestaltungundDauerfestigkeitsbewertungvonSchweißverbindungenimSchinenfahrzeugbau”,DeutscherVerbandfürSchweißenundverwandteVerfahren,2006(7)GuidelineIIW„Recommendationsforfatiguedesignofweldedjointsandcomponents“,IIWdocumentXIII-1965-03/XV-1127-03,2005(8)FKMGuideline“Analyticalstrengthassessment”VMAVerlag,2003(9)KoettgenV.B.,OlivierR.,SeegerT.„SchwingfestigkeitsnachweisfuerSchweissver-bindungenaufGrundörtlicherBeanspruchungen“,ForschungskuratoriumMaschinenbau,Forschungshefte,Heft143,1989(10)KoettgenV.B.,OlivierR.,SeegerT.„SchwingfestigkeitsnachweisfürSchweissver-bindungenaufGrundoertlicherBeanspruchungen“,DeutscherVerlagfürSchweisstechnik,DVS-Report133,pp.75-83,1991.(11)FEMFAT4.7UserManual“Lebensdauer–SimulationdynamischbeanspruchterBauteilefürFiniteElementeModelle”,EngineeringCenterSteyrGmbH,2007(12)EiblM.„BerechnungderSchwingfestigkeitlaserstrahlgeschweißterFeinblechemitlokalenKonzepten“,FraunhoferInst.fürBetriebsfestigkeit,ReportFB-224,2004(13)Morgenstern,C.„KerbgrundkonzeptefürdieschwingfesteAuslegungvonAluminiumschweißverbindungenamBeispieldernaturhartenLegierungenAlMg4,5Mn(AW-5083)undderwarmausgehärtetenLegierungAlMgSi1T6(AW-6082T6)“,MasterThesisTUDarmstadt,2006(14)Zhang,S.“StructuralStressesinSeamWelds”,DaimlerChryslerAG,ResearchReporGR/VMB-07-001,2007免责声明：本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。
